CN112987753B - 基于误差船舶航向的控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及一种基于误差船舶航向的控制方法及装置，包括：基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；基于所述第二控制量控制所述船舶航向。以此可以大大提高控制的鲁棒性和控制精度。
Description
技术领域
本申请实施例涉及基于误差船舶航向的控制领域，尤其涉及一种基于误差船舶航向的控制方法及装置。
背景技术
随着海上交通日益密集，有关如何更好实现船舶航向控制的问题受到越来越多学者的关注。目前对于欠驱动船舶的航向控制，主要分为两类：第一类，基于数学模型，通过数学模型计算船舶达到期望值所需控制量，比如线性二次型最优控制算法、反步法等；第二类，不依赖于数学模型，通过反馈计算下一时刻的控制量，比如PID控制、模糊控制和神经网络等。两类控制算法具有各自的特点：第一类可以通过数学模型预测下一时刻的控制量，但是无法解决外界干扰因素对船舶的影响造成的误差；第二类，可以通过误差计算当前时刻的控制量，其中包含外界干扰因素的影响，但是会存在控制相位迟滞问题。
发明内容
鉴于此，为解决上述技术问题或部分技术问题，本申请实施例提供一种基于误差船舶航向的控制方法及装置。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于误差船舶航向的控制方法。包括：
基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；
基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；
基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；
基于所述第二控制量控制所述船舶航向。
在一些可选的实现中，所述船舶数学模型为两个自由度的数学模型，所述两个自由度分别对应对地速度以及艏摇角速度。
在一些可选的实现中，所述船舶数学模型可以根据如下公式确定：
其中，M(x)为惯性矩阵，τFF为第一控制量，σ(x)为阻尼项，xd为船舶航向角的期望值。
在一些可选的实现中，所述基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量的步骤包括：
基于如下公式确定所述反馈控制误差总量τFB：
其中，为当前时刻的测量值与期望值之间的误差，/>为比例矩阵，为积分矩阵，Kp、Ki为控制器调节参数，r表示艏摇角速度。
在一些可选的实现中，基于所述第二控制量控制所述船舶航向的步骤，包括：
基于非线性PID算法，以及所述第二控制量中的第二对地速度，控制所述船舶的对地速度。
在一些可选的实现中，基于非线性PID算法，以及所述第二控制量中的第二对地速度，控制所述船舶的对地速度包括：
基于如下公式确定PID参数，基于PID参数控制所述船舶的对地速度：
其中，U(t)为第二对地速度，sin[ae(t)]为非线性的误差，a为设计参数，PID参数中的p为比例信号，PID参数中的i为积分信号，PID参数中的d为微分信号。
第二方面，提供了一种基于误差船舶航向的控制装置。包括：
确定模块，用于基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；
所述确定模块还用于，基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；
所述确定模块还用于，基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；
控制模块，用于基于所述第二控制量控制所述船舶航向。
在一些可选的实现中，所述船舶数学模型为两个自由度的数学模型，所述两个自由度分别对应对地速度以及艏摇角速度。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的数据库配置更新方法的步骤。
第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有机器可运行指令，所述计算机可运行指令在被处理器调用和运行时，所述计算机可运行指令促使所述处理器运行所述前述实施方式任一项所述的方法。
本申请实施例提供的一种基于误差船舶航向的控制方法及装置，通过基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；基于所述第二控制量控制所述船舶航向。以此可以大大提高控制的鲁棒性和控制精度。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于误差船舶航向的控制方法流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于误差船舶航向的控制方法的一个示例；
图3为本申请实施例提供的PID运算逻辑的一个示例；
图4为本申请实施例提供的一种基于误差船舶航向的控制装置结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。
图1为本申请实施例提供的一种基于误差船舶航向的控制方法流程示意图。如图1所示，该方法包括：
S110，基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；
所述船舶数学模型为两个自由度的数学模型，所述两个自由度分别对应对地速度以及艏摇角速度。
目前最常用的无人船运动学和动力学模型
船舶在高速状态下是欠驱动的，所以无法独立控制横荡、纵荡和艏摇三个自由度，将三自由度控制量减少为2个自由度，分别为对地速度U和艏摇角速度r。
将运动学方程转化为：
其中：χ＝ψ+β为船舶航向角，β为船舶漂移角。
(1)U≥0，假设船舶前进行驶，则u≥0；
(2)运动学方程中引入漂角β，对于运动控制，需将航向控制替代艏向控制。
由于欠驱动高速状态下控制量为速度和舵角，而不是力，因此将船舶航速量和舵角量作为控制输入。同时，建立动力学模型：
M(x)为惯性矩阵，对角矩阵M(x)＝diag(mU(x),mr(x))；
σ(x)＝[σU(x)σr(x)]T，其中σU表示航速方向的阻尼项，σr为舵角的阻尼项；
x＝[Ur]T，其中U代表航速，r代表艏摇角速度；
τ＝[τmτδ]T，τm表示速度控制量，τδ表示舵角控制量。
前馈控制律是根据船舶的二维船舶数学模型，直接计算输出控制量。前馈控制器在输出时未考虑风浪流等外界干扰因素的影响，通过反馈控制器进行修正。
结合动力学模型可以根据如下公式确定第一控制量：
其中，M(x)为惯性矩阵，τFF为第一控制量，σ(x)为阻尼项，xd为船舶航向角的期望值。
S120，基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；
可以根据当前时刻的测量值与期望值进行误差计算反馈控制律，并通过比例项和积分项求出反馈控制误差总量。
例如，基于如下公式确定所述反馈控制误差总量τFB：
其中，为当前时刻的测量值与期望值之间的误差，/>为比例矩阵，为积分矩阵，Kp、Ki为控制器调节参数，r表示艏摇角速度。
S130，基于第一控制量和反馈控制误差总量确定第二控制量；
反馈-前馈控制律，将二维模型计算输出和反馈误差相结合，很好的结合了预测和反馈控制，使得控制精度提高。
例如，如图2所示，第二控制量τ可以根据如下公式确定：
S140，基于第二控制量控制船舶航向。
可以基于非线性PID算法，以及第二控制量中的第二对地速度，控制船舶的对地速度。
非线性PID控制是利用非线性特性对PID控制的一种改进，从而提高控制器的鲁棒性和适应性。它利用非线性结构的跟踪-微分器产生控制器所需的比例、积分和微分信号，并通过非线性组合这些信号来产生控制器的输出。
非线性函数选择简单的正弦函数，经过非线性的误差f(e)可由式表示
f(e)＝sin(ae)
其中a表示设计参数。
如图3所示，可以基于如下公式确定PID参数，基于PID参数控制所述船舶的对地速度：
其中，U(t)为第二对地速度，sin[ae(t)]为非线性的误差，a为设计参数，PID参数中的p为比例信号，PID参数中的i为积分信号，PID参数中的d为微分信号。
由于经典PID的参数在控制过程中不会改变，使得控制器很难满足抗干扰的需求，在本专利中，采用非线性PID控制器，通过将误差的非线性函数和PID控制级联的原理，获得对航速的控制的良好效果，增加其鲁棒性。
通过本发明实施例可以不依赖于精确的数学模型，可以减少对模型的依赖度，减少在建模时间和工作量；针对无船模试验数据和资料的船舶，可以实现良好的基于误差船舶航向的控制；并且提高控制精度和鲁棒性。
图4为本发明实施例提供的一种基于误差船舶航向的控制装置结构示意图。如图4所示，该装置包括：
确定模块，用于基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；
所述确定模块还用于，基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；
所述确定模块还用于，基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；
控制模块，用于基于所述第二控制量控制所述船舶航向。
在一些实施例中，所述船舶数学模型为两个自由度的数学模型，所述两个自由度分别对应对地速度以及艏摇角速度。
在一些实施例中，确定模块具体用于根据如下公式确定第一控制量：
其中，M(x)为惯性矩阵，τFF为第一控制量，σ(x)为阻尼项，xd为船舶航向角的期望值。
在一些实施例中，确定模块具体用于基于如下公式确定所述反馈控制误差总量τFB：
其中，为当前时刻的测量值与期望值之间的误差，/>为比例矩阵，为积分矩阵，Kp、Ki为控制器调节参数，r表示艏摇角速度。
在一些实施例中，控制模块具体用于：基于非线性PID算法，以及所述第二控制量中的第二对地速度，控制所述船舶的对地速度。
在一些实施例中，控制模块具体用于：基于如下公式确定PID参数，基于PID参数控制所述船舶的对地速度：
其中，U(t)为第二对地速度，sin[ae(t)]为非线性的误差，a为设计参数，PID参数中的p为比例信号，PID参数中的i为积分信号，PID参数中的d为微分信号。
本申请实施例提供的基于误差船舶航向的控制装置，与上述实施例提供的基于误差船舶航向的控制方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
图5为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图，图5所示的电子设备800包括：至少一个处理器801、存储器802、至少一个网络接口804和其他用户接口803。电子设备800中的各个组件通过总线系统805耦合在一起。可理解，总线系统805用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统805除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图5中将各种总线都标为总线系统805。
其中，用户接口803可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball)、触感板或者触摸屏等。
可以理解，本申请实施例中的存储器802可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、可编程只读存储器(ProgrammableROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(ErasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyEPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(StaticRAM，SRAM)、动态随机存取存储器(DynamicRAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(SynchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DoubleDataRateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(SynchlinkDRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambusRAM，DRRAM)。本文描述的存储器802旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
上述本申请实施例揭示的方法可以应用于处理器801中，或者由处理器801实现。处理器801可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器801中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器801可以是通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific IntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器802，处理器801读取存储器802中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuits，ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，DSP)、数字信号处理设备(DSPDevice，DSPD)、可编程逻辑设备(ProgrammableLogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)、通用处理器、电子设备、微电子设备、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本文所述功能的单元来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于误差船舶航向的控制方法，其特征在于，包括：
基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；根据如下公式确定第一控制量：
其中，M(x)为惯性矩阵，τFF为第一控制量，σ(x)为阻尼项，xd为船舶航向角的期望值；
基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；基于如下公式确定所述反馈控制误差总量τFB：
其中，为当前时刻的测量值与期望值之间的误差，/>为比例矩阵，为积分矩阵，Kp、Ki为控制器调节参数，r表示艏摇角速度；
基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；
第二控制量τ根据如下公式确定：
基于所述第二控制量控制所述船舶航向；其中基于非线性PID算法，以及所述第二控制量中的第二对地速度，控制所述船舶的对地速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述船舶数学模型为两个自由度的数学模型，所述两个自由度分别对应对地速度以及艏摇角速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于非线性PID算法，以及所述第二控制量中的第二对地速度，控制所述船舶的对地速度包括：
基于如下公式确定PID参数，基于PID参数控制所述船舶的对地速度：
其中，U(t)为第二对地速度，sin[ae(t)]为非线性的误差，a为设计参数，PID参数中的p为比例信号，PID参数中的i为积分信号，PID参数中的d为微分信号。
4.一种基于误差船舶航向的控制装置，其特征在于，包括：
确定模块，用于基于预先确定的船舶数学模型确定第一控制量；根据如下公式确定第一控制量：
其中，M(x)为惯性矩阵，τFF为第一控制量，σ(x)为阻尼项，xd为船舶航向角的期望值；
所述确定模块还用于，基于当前时刻的测量值与期望值之间的误差，确定反馈控制误差总量；基于如下公式确定所述反馈控制误差总量τFB：
其中，为当前时刻的测量值与期望值之间的误差，/>为比例矩阵，为积分矩阵，Kp、Ki为控制器调节参数，r表示艏摇角速度；
所述确定模块还用于，基于所述第一控制量和所述反馈控制误差总量确定第二控制量；第二控制量τ根据如下公式确定：
控制模块，用于基于所述第二控制量控制所述船舶航向，其中基于非线性PID算法，以及所述第二控制量中的第二对地速度，控制所述船舶的对地速度。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述船舶数学模型为两个自由度的数学模型，所述两个自由度分别对应对地速度以及艏摇角速度。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至3任一项所述的方法的步骤。
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1～3中任一项所述的基于误差船舶航向的控制方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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